産総研ら,同位体を原子レベルで識別・可視化

産業技術総合研究所(産総研),大阪大学,科学技術振興機構(JST),日本電子は,透過電子顕微鏡を使って数原子という極微量の同位体元素を検出する技術を開発した(ニュースリリース)。

同位体は,化学的性質は変わらず重さ(中性子の数)だけが異なる元素で,その性質から生体・化学反応の追跡用標識(同位体標識)として用いられるほか,環境調査,鉱物や化石の年代測定など幅広い分野で利用されている。

既存の同位体検出技術には光やイオンビームを使ったものがあり,十分な量の試料があれば高い精度で質量比を測定することができる。一方で貴重な美術品や微化石などを分析する際は極微量のサンプルからわずかな同位体を検出することが求められるため,高い検出感度が必要となる。

また既存の同位体検出技術における空間分解能は,顕微測定でも数十~数百ナノメートル程度が一般的で,単原子や単分子に着目した分析は困難だった。しかしながら,同位体標識を使って化学反応や原子拡散,材料成長過程などをより詳細に追跡するためには単原子レベルで同位体の位置を特定する必要があり,新たな同位体分析技術が求められていた。

透過電子顕微鏡は,物質の構造や構成元素を原子レベルで解析することができる。しかし,一般的な透過電子顕微鏡像は原子の荷電状態が反映されるため,電荷を持たない中性子の数は像に反映されない。そのため透過電子顕微鏡像のみで中性子の数が異なる同位体を区別することはできなかった。

研究では,単色化電子源を搭載した透過電子顕微鏡を利用し,原子の振動エネルギーを電子エネルギー損失分光(EELS)によって高精度に計測する技術を開発した。これによって中性子一つ分の重さの違いを振動エネルギーの差として検出し,これまで不可能であった透過電子顕微鏡を使った同位体の識別および,原子レベルでの可視化に成功した。

研究グループは,この手法を他の元素や材料に応用し,検出元素,適用材料の幅を広げるとしている。例えば水素とその同位体である重水素を区別することで,重水素化した標識分子を追跡することができるため,高分子複合体といったナノスケールの構造を持つ物質の構造解析や各種反応プロセスの追跡が可能になり,ナノスケール以下での同位体標識法を確立する。

また将来的にはエネルギー分解能と空間分解能の向上に加え,検出効率の向上を図ることで,原子一つ一つの振動状態をより高い精度で高速に測定することを目指す。これによって化学反応や材料成長における単原子・単分子同位体標識のリアルタイム追跡を実現させ,同位体を標識に用いる創薬研究などでの応用を目指すとしている。

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